第三章 理論與數值方法
3.4 燃燒模型與熱邊界條件
A. 物種守恆(Species Conservation)方程式
=1
B. 擴散反應/非均質系統(Diffusion Reaction/Non-Homogeneous System) 方程式 Schmidt Number)。
C. 紊流控制 EBU(Eddy Break-Up)模式 Condition)外，亦針對其材料之熱慣性(Thermal Inertia)設定其為熱 厚性或是熱薄性的壁材。
2. 火源設計邊界：參考火源設計部分之介紹，火源區的邊界以熱釋 放率之形式設定。
∑
此解法將每一個計算步驟分為三個階段，預測階段(Predictor Stage)、初 步校準階段(First Corrector Stage)及二次校準階段(Additional Corrector Stage)。(1) 預測階段：
∑ −
第四章 生物科技廠房火災之模擬
這次模擬主要進行第一年計畫，所規劃之「生技製藥廠房之火災之 煙控分析與最佳排煙模式」，本次模擬利用計算流體力學軟體進行研究 分析，首先依照虛擬之生技製藥廠房建構數值模型，其次按照實際的環 境條件設定模型的邊界條件；經由求解運算與迭代收斂，最後由後處理 程序得到流場、溫度場與煙流的趨勢圖，而由後處理程序所得到的各種 重要之煙場圖面，觀察廠房內部煙流動方向與熱集中的區域，以建構火 災之煙控分析與最佳排煙模式。
以下為模擬無菌填充室之尺寸介紹(參考圖 4-1至4-4)：
充填室尺寸：
9.764 m (長) ， 2.5 m (寬) ， 3.5 m (高) 。
潔淨棚尺寸：
8 m (長) ， 1.5 m (寬) ， 2.7 m(高) 。 無菌充填室通風設計：
出風口(紅)：
1.2 m (長)，0.6 m (寬)，0.44 m/s (風速)
潔淨棚頂送風機(綠)：
1.2 m (長)，0.6 m (寬)，0.25 m (高)， 0.45 m/s (送風風速)。
排氣口(藍)：
1.2 m (長)，0.15 m (寬)， 0.534375 m/s (排氣風速)。 而圖 4-5與4-6各別為模擬出其流場圖。
圖4-1 無菌充填室側視圖
圖4-2 無菌充填室側視圖
圖4-3 無菌充填室正視透視圖
圖4-4 無菌充填室側視透視圖
圖4-5 無菌充填室正視流場圖
圖4-6 無菌充填室側視流場圖
4.1 生物廠房火災之模擬
火災設定：
假設在無菌充填室的輸送台上有易燃物，當模擬時間為 0 秒時就 開始燃燒。觀察潔淨棚內有火源產生時，煙場在無菌充填室內的擴散情 形。
本次模擬為生物科技廠房起火燃燒至燃燒 5 分鐘之情形，可由 T=0、5、100、300秒之圖（圖4-7 至4-10）觀察出其煙場變化之情形。
圖4-7 當T=0秒，無菌充填室之輸送台上之易燃物尚未起火
圖 4-8 當T=5 秒，無菌充填室之輸送台上之易燃物已起火
圖 4-9 當T=100 秒，無菌充填室隨燃燒時間越久，煙霧瀰漫之情形
圖4-10 當 T=300秒，無菌充填室火災之情形
4.2 生物廠房火災排煙之模擬
排煙系統之模擬主要將火災時真實廠房擬真之重現，主要運用下列 第一、二項，第三項為模擬廠房之尺寸及其條件。
（一）正負壓區劃煙控觀念：
爲防止發生火災區域的煙由樓層地板、隔離物之間的裂縫或由空調 管道間流竄至未發生火災區域，因此藉由產生各區域的壓力差限制煙的 流動，來抑制火災區範圍擴大。
（二）煙控設計方法：
當火災發生時，發生火災區域只排煙不供氣，以形成負壓區。而 其他未發生火災區域只供氣不排煙，形成正壓區。使得火場的煙無法向 其他區域擴散，以達到煙控系統的目的。
（三）煙控系統模擬設定：
當室內溫度達到攝氏 70 度時開始啟動煙控系統（如圖 4-18），關 閉上方出風口以及下方兩側的回風口，潔淨棚頂送風機也停止運作。上 方兩側的排煙口開始啟動，使得室內能夠呈現負壓狀態抑制火場煙的擴 散(圖 4-11至4-14則為其無菌填充式加了排煙口之介紹)。
排煙口(深藍)設置方式：
排煙口尺寸：
1.2 m (長) ， 0.15 m (寬) 。 排煙口風速： 0.44 m/s 。 排煙口個數：
左右兩排排煙孔共 18個。
本次模擬為生物科技廠房起火燃燒至燃燒 5 分鐘之情形，可由 T=0、5、100、200、300 秒之圖（圖4-15 至4-17，4-19至 20）觀察出 其排煙之情形。
圖4-11 設置排煙口無菌充填室正視圖
圖 4-12 設置排煙口無菌充填室側視圖
圖 4-13 設置排煙口無菌充填室煙場正視圖
圖 4-14 設置排煙口無菌充填室煙場側視圖
圖4-15 當T=0秒，無菌充填室之輸送台上之易燃物尚未起火
圖4-16當T=5秒，無菌充填室之輸送台上之易燃物已起火
圖4-17 當 T=100秒，無菌充填室隨燃燒時間越久，煙霧瀰漫之情形
圖4-18 無菌充填室溫度達到70 度時，排煙系統開始啟動(T=140秒)
圖4-19當T=200 秒，無菌充填室排煙系統啟動仍有煙霧
圖4-20當T=300 秒，無菌充填室排煙系統排煙不及，煙霧向下沉
第五章 結論
火災事件重覆的在國內外發生，火災的損失金額也愈來愈龐大，動 輒上億，現今的台灣產業高度密集化、高單位成本化，尤其應注重火災 的預防，火災後果模擬是一項將火災損失予以量化的好工具，去思考防 火策略該如何的做，如何防範才夠、才有效，其中特別應強調防火的有 效性。也許廠區內設置了很多、很好的防火設施，卻不夠有效，其實跟 沒有是一樣的；現今台灣的防火的盲點就在防火設施是否有效，以前很 難去評估防火的有效性，現在，可以用火場模擬的方式進行評估，應是 較佳的解決方案。
面對目前現有多元化、複雜化、高層化與地下化的建築物或特殊製 程，提供適當的消防防護與防火設計是一項非常具有挑戰性的工作。對 於業界，不僅能協助其對未知物質之危害鑑定與評估工作，亦可對製程 設計與改良提出建議。
第一年計畫預期完成之工作項目及成果計有：火災全場模式之數值 模擬、穩態與暫態之流場、溫度場與煙流分析、火場最佳排煙模式之建 立，進行火場最佳排煙模式之建立是較困難的，但目前已完成第一年所 預期之工作，還些許超前到第二年之進度。
可以由前面章節之介紹知道煙控系統能夠有效地將煙層集中，但排 煙口面積跟排煙速率還需再做最佳化，讓煙層的沉降速率減慢，並加大 排煙的量，以延長科技廠房中工作之人員逃生的時間，並減低成本的損 失。將來還需更進一步作大空間廠房的模擬，研究當某一空間發生火災 時對其他空間產生的影響。
第六章 可供推廣之研發成果資料表
□可申請專利 ■ 可技術移轉 日期：96 年 10 月 31 日
國科會補助計畫
計畫名稱：生物科技廠房災害風險評估分析技術之建立－子計畫：
生物科技廠房火災煙控系統與安全設計之研究 計畫主持人：林 顯 群
計畫編號：NSC 95-2625-Z-011-003 學門領域：流體力學 技術/創作名稱 生物科技廠房火災煙控系統與安全設計 發明人/創作人 林 顯 群
本計畫乃以生技製藥廠房為研究對象，分別針對全場模式模擬與煙 控分析，實體廠房之全尺度實驗與數值模擬驗證，以及最佳化安全 設計與模擬評估為主要課題進行研究。將利用泛用型計算流體力學 軟體進行研究分析，首先依照虛擬之生技製藥廠房建構數值模型，
其次按照實際的環境條件設定模型的邊界條件，經由求解運算與迭 代收斂，最後由後處理程序得到流場、溫度場與煙流的趨勢圖，而 由後處理程序所得到的各種重要之煙場圖面，觀察廠房內部煙流動 方向與熱集中的區域，以建構火災之煙控分析與最佳排煙模式。
技術說明
This research proposal focuses on the smoke-control system, automatic sprinkler system, and fire-safety analysis for a biotech plant. A virtual pharmaceutical factory model, with the proper boundary conditions incorporating with the actual environmental conditions, is constructed to execute a series of computational simulation using CFD software. The calculated flow field, smoke path, and temperature distribution can be utilized to identify the airflow, smoke flow paths and hotspots inside this building. Knowing this smoke flow paths and hotspots will help us to build a better design for fire prevention, smoke control system, and automatic sprinkler system.
可利用之產業及 可開發之產品
產業：生物科技產業。
產品：藥品、醫療保健、農產品、食品。
技術特點
本計畫之技術，可依據生物科技廠房所可能發生火災以及排煙的情 形，做一系列的安全措施及模擬分析，以預先規劃火災發生後之逃 生，以及排煙系統打開時之情形，找出較安全的方法以降低災害的 發生和人員的傷亡。
推廣及運用的價 生物科技產業之火災排煙系統、及應變安全措施。
※ 1.每項研發成果請填寫一式二份，一份隨成果報告送繳本會，一份送 貴單
位研發成果推廣單位（如技術移轉中心）。
※ 2.本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。
參考文獻
[1] 經濟部，”2002生技產業白皮書”，經濟部工業局，2002年。
[2] 陳旻彬，”生物科技廠建築規劃之基礎研究”，逢甲大學建築研究所碩士 論文，2003年。
[3] 賴葦芸，” 高科技廠房防火安全性能研究-避難安全評估”，交通大學機 械工程研究所碩士論文，2001年。
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研究計畫研究報告，2005年。
[6] http://www.tccfd.gov.tw/level.asp?contentURL=./service/textcontent1.asp&
level=2&parent=54&rfnbr=147 ，台中市消防局
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[9] ANSI/AMCA Standard 210-99 (ANSI/ASHRAE 51-1999), “Laboratory Method of Testing Fans for Aerodynamic Performance Rating”, Air Movement and Control Association, Inc., 1999.
[10] Parker, W. J., “Calculations of the Heat Release Rate by Oxygen Consumption for Various Applications”, NBSIR 81-2427-1, 1981.
[11] Janssens, M. and Parker, W. J., “Oxygen Consumption Calorimetry”.
附錄 實驗設備
根據生物科技廠房實際的使用狀況，規劃出相關實驗項目，參考國 際 標 準 ISO 9705 大 尺 寸 房 間 火 災 試 驗 法[8]為 基 本 架 構 ， 進 行 燃燒產物的分析和熱釋放率。利用量熱儀進行其燃燒產物的分析和熱釋 放率的計算。以下將針對燃燒試驗的儀器設備加以說明。
一、整體測試系統的架構
首 先 是 關 於 大 尺 寸 房 間 火 災 試 驗 儀 器 設 備 的 部 份。本 研 究 是 採 用 國 際 標 準 組 織(ISO) 所 定 測 試 方 法 ISO 9705[8]為 基 本 架 構 ，架 設 此 大 尺 寸 房 間 試 驗 所 需 之 試 驗 設 備 。圖 1 即 為 此 試 驗 之 整 體 示 意 圖 ， 材 料 組 合 在 試 驗 房 間 內 由 一 引 燃 源 引 燃 後 ， 房 間 內 量 測 溫 度 的 熱 電 偶 和 量 測 熱 通 量 的 熱 通 量 計 在 各 個 測 試 點 量 測 ，量 測 時 是 產 生 微 電 壓 訊 號 ，經 由 資 料 擷 取 系 統 配 合 電 腦 即 時 處 理 軟 體 LabVIEW 的 使 用 ， 將 電 壓 訊 號 轉 換 成 相 關 的 物 理 量 。
圖1 ISO 9705[8]整 體 實 驗 示 意 圖
燃 燒 的 氣 體 產 物 則 是 經 由 集 煙 罩 和 排 氣 管 收 集，在 經 過 一 段 距 離 ， 使 氣 體 速 度 場 、 濃 度 分 佈 更 趨 均 勻 後 ， 方 由 取 樣 管 將 氣 體 抽 至 CO/CO 分 析 儀 以 及 O 分 析 儀 進 行 氣 體 分 析。在 排 氣
管 中 同 時 裝 設 有 雙 向 皮 托 管(Bi-directional pitot tube)以 及 熱 電 偶 用 以 計 算 管 中 流 速，同 時 亦 透 過 白 光 系 統 進 行 流 動 式 煙 濃 度 的 量 測 。
值 得 一 提 的 是 ， 透 過 電 腦 軟 體 LabVIEW 的 使 用 ， 除 了 能 迅 速 將 資 料 收 集 儲 存 之 外 ，更 能 即 時 運 算，計 算 出 一 氧 化 碳 和
值 得 一 提 的 是 ， 透 過 電 腦 軟 體 LabVIEW 的 使 用 ， 除 了 能 迅 速 將 資 料 收 集 儲 存 之 外 ，更 能 即 時 運 算，計 算 出 一 氧 化 碳 和